電阻抗成像

電阻抗成像注入電流電阻抗成像（ACEIT）

注入電流電阻抗成像（ACEIT）是最早提出的且研究歷史最長的成像方法。許多早期的文獻(xiàn)將之稱為電阻抗成像（EIT），后來隨著各種成像方法的提出，有些學(xué)者為了將它與其他激勵方式的電阻抗成像區(qū)分開來，故將之命名為注入電流電阻抗成像（ACEIT）。后來EIT概念的外延增大，表示所有的電阻抗成像。相對于其他方式的電阻抗成像而言，ACEIT起步較早，研究得比較充分。

ACEIT的原理是，根據(jù)人體內(nèi)不同組織在不同生理、病理狀態(tài)下具有不同的電阻抗，通過電極給人體施加小的安全驅(qū)動電流/電壓，在體外測量電壓/電流信號，并依據(jù)相應(yīng)的快速重組算法重建人體內(nèi)部的電阻抗分布或其變化的圖像。

不同的電流注入模式使成像區(qū)域內(nèi)部形成的電流分布不同，測量靈敏度不同，采集信號的信噪比不相同，最終成像質(zhì)量也不同。常見的注入電流模式主要包括：臨近驅(qū)動模式（adjacent driven pattern）、交叉注入模式（cross method）、相反注入電流模式（opposite method）和自適應(yīng)注入電流模式（adaptive method）等。

電阻抗成像感應(yīng)電流電阻抗成像（ICEIT）

感應(yīng)電流電阻抗成像的原理是，它在被測目標(biāo)的外圍放置若干個激勵線圈，對其施加交變電流，在空間產(chǎn)生交變磁場，從而在被測目標(biāo)內(nèi)激勵出感應(yīng)電流。測量被測目標(biāo)表面電極間的電壓差，并用此數(shù)據(jù)重構(gòu)電導(dǎo)率擾動的分布，從而進(jìn)行目標(biāo)區(qū)域電導(dǎo)率的動態(tài)成像。

電阻抗成像磁共振電阻抗成像（MREIT）

針對常規(guī)電阻抗成像方法只能測量成像目標(biāo)區(qū)域外周邊信息的問題，加拿大多倫多大學(xué)的Zhang于1992在其題為“Electrical impedance tomography based on current density”的碩士論文中提出將EIT與磁共振電流密度成像（magnetic resonance current density image, MRCDI）結(jié)合的磁共振電阻抗成像方法。

磁共振電阻抗成像技術(shù)（MREIT）就是一種把磁共振成像技術(shù)（MRI）和EIT技術(shù)結(jié)合起來的新型阻抗成像技術(shù)。MREIT技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)在于磁共振能夠檢測注入電流激勵磁場沿磁共振主磁場方向的分量。利用這一原理，就能夠測量得到注入電流在成像目標(biāo)內(nèi)部激勵的磁場分布，進(jìn)而，由安培定律（Ampere’s Law）即 可以計算得到注入電流在成像目標(biāo)內(nèi)的電流密度分布，再結(jié)合成像目標(biāo)邊界電壓分布，利用特定算法就能夠重建成像目標(biāo)體的阻抗分布，這就是MREIT技術(shù)的基本思想。

2005年，Ozparlak等提出感應(yīng)電流磁共振電阻抗成像方法（induced current magnetic resonance-electrical impedance tomography, IC-MREIT），將非接觸概念引入磁共振電阻抗成像方法。采用外部非接觸線圈代替電極，將被測物放置于設(shè)計的幾何中心位置，線圈通電后被測物處于交流一次磁場中，該一次磁場在被測物內(nèi)部感應(yīng)生成渦流產(chǎn)生二次磁場。二次磁場可由MRI設(shè)備測得，其中包含足夠的信息用來重建圖像。

電阻抗成像磁感應(yīng)成像方法（MIT）

ICEIT采用電極測量成像目標(biāo)體表面電壓，依然存在因貼放大量電極而浪費時間和處理極不方便等困難。為此，Korjenevsky等人提出激勵和測量全部采用線圈的非接觸方式，通過測得的表面磁場重建電導(dǎo)率分布的磁感應(yīng)成像方法（MIT）。應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的磁感應(yīng)成像方法的研究始于1993年，英國Swansea大學(xué)的Al-Zeibak等首次報道了用于醫(yī)學(xué)的MIT實驗系統(tǒng)，能夠通過重構(gòu)圖像區(qū)分出脂肪與脫脂組織的輪廓和幾何尺寸。

MIT的基本原理是，激勵線圈產(chǎn)生頻率的交變磁通密度，將成像目標(biāo)體置于激勵磁場中，成像目標(biāo)區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生渦旋電場，由于區(qū)域內(nèi)部包含導(dǎo)電介質(zhì)，因此產(chǎn)生渦旋感應(yīng)電流，該渦流同時會產(chǎn)生二次感應(yīng)磁通密度并能改變原激勵磁通密度的強弱和空間分布，在接收線圈上可以檢測到相應(yīng)的感應(yīng)電壓。通過檢測到的測量線圈的感應(yīng)電壓的變化可以間接地反映導(dǎo)體的電導(dǎo)率分布，進(jìn)行圖像重構(gòu)。由理論分析可知，二次感應(yīng)磁通密度的實部由位移電流引起，與導(dǎo)體的介電常數(shù)有關(guān)，虛部由渦旋電流感生，與導(dǎo)體的電導(dǎo)率近似成線性關(guān)系。

電阻抗成像電磁阻抗成像（EMIT）

Levy等人提出了一種成像技術(shù)叫電磁阻抗成像（EMIT），既測量EIT的邊界電壓，又通過線圈記錄外部磁場。他們通過數(shù)值模擬得出結(jié)論，附加的一小部分磁場的測量可以減小EIT問題的條件數(shù)，即改善了問題的病態(tài)性。

電阻抗成像電場電阻率成像（EFT）

還有另外一種完全非接觸電阻抗成像方法——電場電阻率成像（EFT）[90]。這種成像方法采用與成像體非接觸的電極激勵交變電場，激勵電極在成像目標(biāo)體近表面產(chǎn)生感應(yīng)電荷，而在遠(yuǎn)離電極的一面產(chǎn)生相反電荷，使得測量電壓和激勵電壓之間的相移攜帶有成像目標(biāo)體電阻率特性信息，進(jìn)而可以建立相移與電阻率的對應(yīng)關(guān)系，據(jù)此重構(gòu)出成像體電阻率分布圖像。

電阻抗成像磁探測電阻抗成像（MDEIT）

磁探測電阻抗成像（MDEIT）通過貼在成像目標(biāo)體的成對電極，向成像目標(biāo)體注入一定頻率的交變電流，然后用某種形式的接收裝置，例如感應(yīng)線圈、超導(dǎo)量子干涉儀（SQUID）等，測量注入電流在成像目標(biāo)體外產(chǎn)生的磁場，根據(jù)表面磁場的反問題求解獲得產(chǎn)生磁場的電流分布，進(jìn)而從電流分布重構(gòu)出電導(dǎo)率分布圖像。

綜上所述，電阻抗成像（EIT）主要包括注入電流電阻抗成像方法（ACEIT），感應(yīng)電流電阻抗成像方法（ICEIT），磁共振電阻抗成像方法（MREIT）和電磁阻抗成像（EMIT），磁感應(yīng)成像方法（MIT），電場電阻率成像方法（EFT）和磁探測電阻抗成像（MDEIT）。它們的激勵方式和傳感接收方式各不相同，見表1。

表1 EIT各種方法的激勵和傳感方式的比較

1. Brown B H, Seagar A D. The Sheffield data collection system[J].Clinical Physics and Physiological Measurement.1987,8(Supplement A):91–97.

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3. Freeston I L, Tozer R C. Impedance imaging using induced currents[J].Physiological Measurement.1995,16(Supplement 3A):257–266.

4. Kolehmainen V, Vauhkonen M, Karjalainen P A, et al. Assessment of errors in static electrical impedance tomography with adjacent and trigonometric current patterns[J]. Physiological Measurement. 1997,18(4):289–303.

5. Ozparlak L，Ider YZ．Induced curent magnetic resonance—electrical impedance tomography[J]．Phys Meas，2005，26：289—305．

6. KorjenevskyA, CherepeninV, Sapetsky S. Magnetic induction tomography: experimental realization[J].Physiological Measurement.2000,21(1):89–94.

7. Griffiths H. Magnetic induction tomography [J]. Meas Sci Techno, 2001, 12(8): 1126-1131

8. Casanas R, Scharfetter H, Altes A, et al. Measurement of liver iron overload by magnetic induction using a planar gradiometer: preliminary human results[J].Physiological Measurement.2004,25(1):315–323.

9. Merwa R, Hollaus K, Oszkar B, et al. Detection of brain oedema using magnetic induction tomography: a feasibility study of the likely sensitivity and detectability[J].Physiological Measurement.2004,25(1):347–354.

10. Levy S, Adam D, Bresler Y. Electromagnetic impedance tomography (EMIT): a new method for impedance imaging[J].IEEE Transactions on Medical Imaging.2002,21(6):676–687.

11. Korjenevsky, A V 2004 Electric field tomography for contactless imaging of resistivity in biomedical applications Physiol. Meas. 25 391–401

12. 劉國強.醫(yī)學(xué)電磁成像[M].北京：科學(xué)出版社,2006

13. 何為, 羅辭勇, 李征.電阻抗成像原理[M].北京：科學(xué)出版社,2009

14. 徐桂芝, 李穎.生物醫(yī)學(xué)電阻抗成像技術(shù)[M].北京：機械工業(yè)出版社,2010

電阻抗成像（Electrical Impedance Tomography, EIT）是醫(yī)學(xué)成像技術(shù)的一個新方向，它的基本原理是根據(jù)人體內(nèi)不同組織在不同的生理、病理狀態(tài)下具有不同的電阻/電導(dǎo)率，采用各種方法給人體施加小的安全驅(qū)動電流/電壓，通過驅(qū)動電流或電壓在人體的測量響應(yīng)信息，重建人體內(nèi)部的電阻率分布或其變化的圖像。

電阻抗成像（EIT）的起源可追溯到上個世紀(jì)20年代，地質(zhì)學(xué)研究者提出了線性電極陣列的斷層電阻率成像（Resistivity Imaging）技術(shù)，即通過把電流注入地層，測得地表電壓來重構(gòu)不同地層的導(dǎo)電特性，從而確定礦藏的分布。70年代，生物醫(yī)學(xué)研究者提出了圓形電極陣列的斷層電阻率測量技術(shù)（Tomographic Resistivity Measurement Technique）。第一幅電阻抗圖像是由Henderson和Webster于1978年報道的，他們得到了可以顯示人體肺和心臟的圖像，但這還不是斷層圖像，而是類似X胸片的透視圖像。1984年英國謝菲爾德大學(xué)的Barber研究組報道了電導(dǎo)率斷層成像的實驗，獲得了電導(dǎo)率分布圖像，開辟了電阻抗層析成像技術(shù)這一新的研究領(lǐng)域。目前美國、英國和中國等有30多個研究組在進(jìn)行電阻抗成像的研究。電阻抗成像技術(shù)在醫(yī)學(xué)方面有廣泛的應(yīng)用，關(guān)于EIT在檢測中風(fēng)、肺氣腫、心肌萎縮、膀胱疾病、乳腺癌等方面均有醫(yī)學(xué)報導(dǎo)。

醫(yī)學(xué)電阻抗成像方法按照激勵器和測量器是否與成像目標(biāo)體接觸來劃分，可以分為接觸式、不完全接觸式和非接觸式三類。接觸式電阻抗成像采用電極激勵、電極和非接觸形式共同接受的方式，提取與人體生理、病理相關(guān)的電特性信號，包括注入電流電阻抗成像方法（applied current electrical impedance tomography，ACEIT），磁共振電阻抗成像方法（magnetic resonance electrical impedance tomography, MREIT）和電磁阻抗成像（electro-magnetic impedance tomography, EMIT）等；不完全接觸式電阻抗成像采用線圈激勵和電極接收的方式，或者采用電極激勵和線圈接收的方式，包括感應(yīng)電流電阻抗成像方法（induced current electrical impedance tomography，ICEIT）和磁探測電阻抗成像（magnetic detection electrical impedance tomography，MDEIT）；非接觸式電阻抗成像的激勵器和接收器都不與成像體接觸，主要包括磁感應(yīng)成像方法（magnetic induction tomography，MIT）和電場電阻率成像方法（electrical field tomography，EFT）。

EIT技術(shù)具有很多優(yōu)勢，如對人體無創(chuàng)，無電離和輻射危險，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，測量簡便，可以用于快速的便攜式成像，并且在對于人體心血管、食道、胃部等生理活動進(jìn)行連續(xù)動態(tài)的圖像監(jiān)護(hù)方面具有廣泛的應(yīng)用前景，這些是目前多數(shù)臨床成像手段難以做到的。同時該設(shè)備造價低廉、檢測費用低的特點非常適合進(jìn)行廣泛的醫(yī)療普查。利用EIT技術(shù)，既可以得到解剖學(xué)影像，又可以得到人體器官生理活動（如呼吸、心臟搏動）的功能性圖像。解剖影像是利用組織阻抗的頻率依賴性對體內(nèi)的阻抗分布進(jìn)行成像。既往研究表明某些人體組織的生理功能變化能引起組織阻抗的變化（如組織充血和放電等），某些組織病理改變也能引起組織阻抗的變化（如癌變等），這些信息將會在EIT圖像中體現(xiàn)出來，所以EIT具有功能成像的性質(zhì)。

EIS技術(shù)基于平行電流場擾動模型實現(xiàn)，三維簡化模型如圖1所示。

圖1 三維簡化的EIS仿真模型

（1：均勻介質(zhì)，2：擾動目標(biāo)，3：測量電極陣列，4：保護(hù)環(huán)，5：參考電極）

圖2二維電場內(nèi)電流分布示意圖

圖2是EIS檢測技術(shù)的二維電流場分布模型， 通過建立兩個平行的導(dǎo)電面A和B，在平行的導(dǎo)體面A和B之間設(shè)立阻抗均勻分布的場域，將導(dǎo)體面A接地即電位為零，導(dǎo)體面B接電壓為V，則在導(dǎo)體面A和導(dǎo)體面B之間建立均勻電流場，導(dǎo)體面B上的電流密度分布也為恒定值I₀；當(dāng)場域中某一區(qū)域阻抗發(fā)生變化時，即當(dāng)阻抗由均勻分布變?yōu)椋渲?；?dāng)阻抗分布不均勻時，電流場發(fā)生顯著擾動時，原來導(dǎo)體面B均勻分布的電流密度，會在阻抗擾動區(qū)域的垂直投影位置產(chǎn)生一個擾動，電流分布存將在I₀的基礎(chǔ)上擾動形成一個峰值I_max；因而可以根據(jù)導(dǎo)體面B上均勻電流分布的擾動來判斷場域中阻抗分布的擾動。電阻抗分布均勻的電流分布圖如圖2（A）所示，若電極陣列下方的檢測區(qū)域內(nèi)存在電阻抗異常擾動包塊，則會使均勻電流場發(fā)生擾動（如圖2B所示），體表電極陣列上探測到的電流值也發(fā)生擾動。包塊正上方電極單元上測得的電流值顯著增大，而其他電極上測得的電流值基本不變；由于電壓恒定，探頭電極陣列各電極上檢測到得的電流值與其所覆蓋的組織電阻抗成反比線性關(guān)系，因而乳房表面電極陣列上電流的分布代表了從平行板電場間的電阻抗分布；擾動目標(biāo)體的可探測性與其深度、大小及病變與周圍介質(zhì)電導(dǎo)率的比值有關(guān)。EIS可檢測到響應(yīng)電流的幅值和相位信息，并按照電極陣列的位置形成二維信號分布，并以灰度圖像顯示。EIS圖像不是解剖圖像，其實質(zhì)是經(jīng)導(dǎo)納的“映射”。